DE102015111681B4 - Gas sensor element - Google Patents
Gas sensor element Download PDFInfo
- Publication number
- DE102015111681B4 DE102015111681B4 DE102015111681.2A DE102015111681A DE102015111681B4 DE 102015111681 B4 DE102015111681 B4 DE 102015111681B4 DE 102015111681 A DE102015111681 A DE 102015111681A DE 102015111681 B4 DE102015111681 B4 DE 102015111681B4
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- protective layer
- porous protective
- gas sensor
- sensor element
- layer
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 239000011241 protective layer Substances 0.000 claims abstract description 113
- 239000007784 solid electrolyte Substances 0.000 claims abstract description 11
- 239000010410 layer Substances 0.000 claims description 59
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 24
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 17
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 14
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims description 14
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims description 14
- MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N Zirconium dioxide Chemical compound O=[Zr]=O MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 10
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N Titan oxide Chemical compound O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N Zinc monoxide Chemical compound [Zn]=O XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 claims description 7
- PMHQVHHXPFUNSP-UHFFFAOYSA-M copper(1+);methylsulfanylmethane;bromide Chemical compound Br[Cu].CSC PMHQVHHXPFUNSP-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 5
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 229910052596 spinel Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 239000011029 spinel Substances 0.000 claims description 5
- 229910000410 antimony oxide Inorganic materials 0.000 claims description 4
- VTRUBDSFZJNXHI-UHFFFAOYSA-N oxoantimony Chemical compound [Sb]=O VTRUBDSFZJNXHI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 239000011787 zinc oxide Substances 0.000 claims description 4
- 239000002356 single layer Substances 0.000 claims description 2
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 111
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 57
- 230000004044 response Effects 0.000 description 35
- 239000005871 repellent Substances 0.000 description 22
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 17
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 15
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 15
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 12
- 230000008859 change Effects 0.000 description 8
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 6
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 6
- 239000002002 slurry Substances 0.000 description 6
- 238000009835 boiling Methods 0.000 description 5
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 5
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 5
- 229910000510 noble metal Inorganic materials 0.000 description 5
- 231100000614 poison Toxicity 0.000 description 5
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 5
- KDLHZDBZIXYQEI-UHFFFAOYSA-N Palladium Chemical compound [Pd] KDLHZDBZIXYQEI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 230000020169 heat generation Effects 0.000 description 4
- 238000000034 method Methods 0.000 description 4
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 230000035939 shock Effects 0.000 description 4
- 230000002159 abnormal effect Effects 0.000 description 3
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 3
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 3
- RMAQACBXLXPBSY-UHFFFAOYSA-N silicic acid Chemical compound O[Si](O)(O)O RMAQACBXLXPBSY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000003440 toxic substance Substances 0.000 description 3
- UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N Carbon monoxide Chemical compound [O+]#[C-] UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 229910002091 carbon monoxide Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000005336 cracking Methods 0.000 description 2
- 238000007598 dipping method Methods 0.000 description 2
- 238000010285 flame spraying Methods 0.000 description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 2
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 2
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 229910052763 palladium Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 238000012887 quadratic function Methods 0.000 description 2
- 229910052703 rhodium Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010948 rhodium Substances 0.000 description 2
- MHOVAHRLVXNVSD-UHFFFAOYSA-N rhodium atom Chemical compound [Rh] MHOVAHRLVXNVSD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229920006395 saturated elastomer Polymers 0.000 description 2
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 2
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 2
- 238000012795 verification Methods 0.000 description 2
- 229910021578 Iron(III) chloride Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000004913 activation Effects 0.000 description 1
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 1
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910010293 ceramic material Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 239000002270 dispersing agent Substances 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 238000010304 firing Methods 0.000 description 1
- 230000008595 infiltration Effects 0.000 description 1
- 238000001764 infiltration Methods 0.000 description 1
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 1
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 1
- RBTARNINKXHZNM-UHFFFAOYSA-K iron trichloride Chemical compound Cl[Fe](Cl)Cl RBTARNINKXHZNM-UHFFFAOYSA-K 0.000 description 1
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 1
- QSHDDOUJBYECFT-UHFFFAOYSA-N mercury Chemical compound [Hg] QSHDDOUJBYECFT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052753 mercury Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 1
- 239000002574 poison Substances 0.000 description 1
- 231100000572 poisoning Toxicity 0.000 description 1
- 230000000607 poisoning effect Effects 0.000 description 1
- 230000007096 poisonous effect Effects 0.000 description 1
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 1
- 238000000746 purification Methods 0.000 description 1
- 239000011347 resin Substances 0.000 description 1
- 229920005989 resin Polymers 0.000 description 1
- 238000003980 solgel method Methods 0.000 description 1
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 230000003746 surface roughness Effects 0.000 description 1
- 231100000331 toxic Toxicity 0.000 description 1
- 230000002588 toxic effect Effects 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
- G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
- G01N27/403—Cells and electrode assemblies
- G01N27/406—Cells and probes with solid electrolytes
- G01N27/4067—Means for heating or controlling the temperature of the solid electrolyte
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
- G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
- G01N27/403—Cells and electrode assemblies
- G01N27/406—Cells and probes with solid electrolytes
- G01N27/407—Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases
- G01N27/4071—Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases using sensor elements of laminated structure
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
- G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
- G01N27/403—Cells and electrode assemblies
- G01N27/406—Cells and probes with solid electrolytes
- G01N27/407—Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases
- G01N27/4077—Means for protecting the electrolyte or the electrodes
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
- G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
- G01N27/403—Cells and electrode assemblies
- G01N27/406—Cells and probes with solid electrolytes
- G01N27/407—Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases
- G01N27/409—Oxygen concentration cells
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Molecular Biology (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Measuring Oxygen Concentration In Cells (AREA)
Abstract
Gassensorelement (100; 100A), umfassend:einen Erfassungsabschnitt (10), der einen Stapel aus einem Feststoffelektrolytkörper und einem Wärmeerzeugungskörper aufweist, wobei der Feststoffelektrolytkörper mindestens ein Paar Elektroden (4) auf gegenüberliegenden Seiten desselben aufweist und der Wärmeerzeugungskörper eine Wärmeerzeugungsquelle (6) beinhaltet; undeine poröse Schutzschicht (20; 20A), die um den Erfassungsabschnitt (10) gebildet ist, wobeidie poröse Schutzschicht (20; 20A) eine Wärmeleitfähigkeit λ in einem Bereich von 0,2 bis 5 W/mK und ein λCpρ in einem Bereich von 5,3 × 10bis 2,1 × 10WJ/mKaufweist, wobei λCpρ ein Produkt aus Wärmeleitfähigkeit λ(W/mK), Dichte ρ(g/m) und spezifischer Wärme Cp(J/gK) ist; und wobeidie poröse Schutzschicht (20; 20A) ferner einen Kapillarradius in einem Bereich von 0,01 bis 10 µm aufweist.A gas sensor element (100; 100A) comprising: a detecting portion (10) having a stack of a solid electrolyte body and a heat generating body, said solid electrolyte body having at least a pair of electrodes (4) on opposite sides thereof and said heat generating body including a heat generating source (6) ; anda porous protective layer (20; 20A) formed around said detecting portion (10), said porous protective layer (20; 20A) having a thermal conductivity λ in a range of 0.2 to 5 W / mK and a λCpρ in a range of 5 , 3 × 10 to 2.1 × 10 WJ / mK, where λCpρ is a product of thermal conductivity λ (W / mK), density ρ (g / m) and specific heat Cp (J / gK); and wherein the porous protective layer (20; 20A) further has a capillary radius in a range of 0.01 to 10 μm.
Description
INANSPRUCHNAHME EINER PRIORITÄTUSING A PRIORITY
Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der japanischen Patentanmeldungen
HINTERGRUNDBACKGROUND
Technisches GebietTechnical area
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gassensorelement, das beispielsweise an einem Fahrzeug montiert ist und die Sauerstoffkonzentration in Abgas erfasst.The present invention relates to a gas sensor element which is mounted, for example, on a vehicle and detects the oxygen concentration in exhaust gas.
Bisheriger Stand der TechnikPrevious state of the art
In einer Vielzahl von Industriezweigen wurden weltweit vielfältige Bemühungen unternommen, um Umweltauswirkungen und -belastungen zu reduzieren. Insbesondere wurde in der Automobilindustrie die Entwicklung zur Förderung der Verbreitung nicht nur von kraftstoffeffizienten Fahrzeugen mit Benzinmotoren, sondern auch von sogenannten umweltfreundlichen Fahrzeugen, wie Hybridfahrzeugen oder Elektrofahrzeugen, sowie zur weiteren Verbesserung der Leistung derartiger Fahrzeuge von Tag zu Tag vorangetrieben.Diverse efforts have been made worldwide to reduce environmental impacts and pressures in a variety of industries. In particular, in the automobile industry, development has been promoted day by day not only for fuel-efficient vehicles with gasoline engines, but also for so-called environmentally friendly vehicles such as hybrid vehicles or electric vehicles, and for further improving the performance of such vehicles.
Die Reinigung von Abgas und die Verbesserung der Kraftstoffwirtschaftlichkeitsleistung von Fahrzeugen erfolgen durch Erfassen der Sauerstoffkonzentration in einem Messzielgas, wie etwa Abgas, unter Verwendung eines Gassensors und durch präzises Steuern des Kraftstoffverbrauchs und der angesaugten Luftmenge.The purification of exhaust gas and the improvement of the fuel efficiency of vehicles are performed by detecting the oxygen concentration in a measurement target gas, such as exhaust gas, using a gas sensor, and precisely controlling the fuel consumption and the intake air amount.
Eine beispielhafte Grundkonfiguration eines Gassensorelements, das einen derartigen Gassensor bildet, beinhaltet einen Erfassungsabschnitt mit einem Stapel aus einem Feststoffelektrolytkörper, der ein Paar Elektroden auf gegenüberliegenden Seiten desselben aufweist, und einem eine Wärmeerzeugungsquelle beinhaltenden wärmeerzeugenden Körper sowie eine poröse Schutzschicht, die um den Erfassungsabschnitt gebildet ist.An exemplary basic configuration of a gas sensor element constituting such a gas sensor includes a detecting portion having a stack of a solid electrolyte body having a pair of electrodes on opposite sides thereof and a heat generating body including a heat generating body and a porous protective layer formed around the detecting portion ,
Ein Gassensor erfasst die Sauerstoffkonzentration in Abgas bei einer hohen Temperatur von etwa 400 bis 850°C. Wenn somit Wassertröpfchen (d.h. kondensiertes Wasser) in dem Abgas mit dem Gassensorelement kollidieren, das den Gassensor bildet, besteht die Befürchtung, dass aufgrund einer teilweisen Abkühlung ein Thermoschock entstehen kann, und dass aufgrund einer Volumenänderung des Elements bei einer Temperaturveränderung eine anormale Ausgabe erzeugt werden kann, die aus einem Temperaturabfall resultiert, wenn das Element feucht wird, oder dass eine anormale Ausgabe erzeugt werden kann, die aus einer Rissbildung des Elements aufgrund des Thermoschocks resultiert. Ferner wird auch befürchtet, dass metallische Verbindungen in dem kondensierten Wasser zusammen mit dem Wasser in das Element eindringen können, was wiederum den Erfassungsabschnitt des Gassensorelements vergiften kann.A gas sensor detects the oxygen concentration in exhaust gas at a high temperature of about 400 to 850 ° C. Thus, when water droplets (ie, condensed water) in the exhaust gas collide with the gas sensor element forming the gas sensor, there is a fear that thermal shock may occur due to partial cooling, and abnormal output may be generated due to a volume change of the element with a temperature change can, which results from a drop in temperature when the element is wet, or that an abnormal output can be generated, resulting from cracking of the element due to the thermal shock. Further, it is also feared that metallic compounds in the condensed water may penetrate into the element together with the water, which in turn may poison the detecting portion of the gas sensor element.
Um solche Bedenken auszuräumen, wird eine poröse Schutzschicht um den Erfassungsabschnitt des Gassensorelements vorgesehen.In order to eliminate such concerns, a porous protective layer is provided around the detecting portion of the gas sensor element.
Dabei offenbart Patentdokument 1 als herkömmlicher Stand der Technik, der ein Gassensorelement mit einer porösen Schutzschicht betrifft, ein Gassensorelement, bei dem der Umfang des Elements von einer porösen Schutzschicht aus Aluminiumoxid umgeben ist, um die Kollision von Wassertröpfchen zu unterbinden. Darüber hinaus offenbart Patentdokument 2 ein Gassensorelement mit einer porösen Schutzschicht aus einem einzelnen Siliziumcarbid- oder Aluminiumnitridmaterial oder aus einem Material, das ein Gemisch hieraus mit anderen keramischen Materialien ist. Ferner offenbart Patentdokument 3 ein Gassensorelement, das auf einer äußeren Gaseinleitfläche einer diffusiven Widerstandsschicht des Hauptkörperabschnitts des Elements, durch welche ein Messzielgas eingeleitet wird, eine poröse Schutzschicht zum Abfangen von giftigen Komponenten in dem Messzielgas aufweist, und eine auf der porösen Schutzschicht gebildete Oberflächenschutzschicht weist bei einer hohen Temperatur, bei der ein Feststoffelektrolytkörper aktiv wird, eine wasserabweisende Eigenschaft auf und besitzt eine geringere Porosität als die poröse Schutzschicht.Herein,
Wie vorstehend beschrieben, wurden an einer porösen Schutzschicht, die um einen Erfassungsabschnitt vorgesehen ist, eine Vielzahl von Verbesserungen vorgenommen, um die Wasserbeständigkeit von Gassensorelementen zu verbessern. Insbesondere wurde in erster Linie eine Technologie in Bezug auf ein Material entwickelt, das auf die poröse Schutzschicht aufgebracht wird. Es sei erwähnt, dass in Patentdokument 3 die Oberflächenrauigkeit der Oberflächenschutzschicht, die eine niedrigere Porosität aufweist als die poröse Schutzschicht, so definiert ist, dass sie eine Rissbildung des Elements verhindert, welche andernfalls aufgrund eines Thermoschocks auftreten würde, wenn das Element feucht wird, wodurch sich die wasserabweisende Eigenschaft der Oberflächenschutzschicht sicherstellen lässt. As described above, a variety of improvements have been made on a porous protective layer provided around a detecting portion to improve the water resistance of gas sensor elements. In particular, technology has been developed primarily with respect to a material that is applied to the porous protective layer. It should be noted that in
Weitere erwähnenswerte Patent- und Nicht-Patentdokumente betreffen folgendes: Patentdokument 4 betrifft ein Gassensorelement mit einer Schutzschicht, die sehr beständig sein soll. Patentdokument 5 betrifft ein Gassensorelement mit einer Sensorsektion, einer Heizelementsektion und einer porösen Schutzschicht. Patentdokument 6 betrifft ein Gassensorelement mit einem Erfassungsbereich, der einen Festelektrolytkörper umfasst. Patentdokument 7 betrifft einen Keramikheizer für das Heizen eines Gassensorelements. Nicht-Patentdokument 1 betrifft technische Keramiken der Firma Kyocera.Other patent and non-patent documents worth mentioning include the following:
Durch Ausgestalten einer porösen Schutzschicht eines Gassensorelements derart, dass sie kondensiertes Wasser in Abgas abweist, wird es möglich, einen Thermoschock, der in der porösen Schutzschicht oder dem Gassensorelement erzeugt werden kann, signifikant zu reduzieren und auch ein Eindringen des kondensierten Wassers zu unterbinden und dadurch das Problem einer möglichen Vergiftung des Erfassungsabschnitts zu lösen.By configuring a porous protective layer of a gas sensor element to repel condensed water in exhaust gas, it becomes possible to significantly reduce a thermal shock that can be generated in the porous protective layer or the gas sensor element and also to inhibit the penetration of the condensed water and thereby to solve the problem of possible poisoning of the detection section.
In Bezug auf die wasserabweisende Eigenschaft der porösen Schutzschicht haben die Erfinder festgestellt, dass sich durch einen anderen Ansatz als den des herkömmlichen Standes der Technik eine poröse Schutzschicht mit einer exzellenten wasserabweisenden Eigenschaft erhalten lässt.With respect to the water-repellent property of the porous protective layer, the inventors have found that a porous protective layer having an excellent water-repellent property can be obtained by a different approach than that of the conventional art.
DOKUMENTE DES VERWANDTEN STANDES DER TECHNIKDOCUMENTS OF THE RELATED ART
PatentdokumentePatent documents
-
Patentdokument 1:
JP 2009-80110 A JP 2009-80110 A -
Patentdokument 2:
JP 2011-237222 A JP 2011-237222 A -
Patentdokument 3:
JP 2012-93330 A JP 2012-93330 A -
Patentdokument 4:
JP 2011-252894 A JP 2011-252894 A -
Patentdokument 5:
US 2010/0155240 A1 US 2010/0155240 A1 -
Patentdokument 6:
US 2014/0291150 A1 US 2014/0291150 A1 -
Patentdokument 7:
DE 10308558 A1 DE 10308558 A1 - Nicht-Patentdokument 1: „Characteristics of Kyocera Technical Ceramics“. Datasheet [online]. Kyocera Corporation, July 2012Non-Patent Document 1: "Characteristics of Kyocera Technical Ceramics". Datasheet [online]. Kyocera Corporation, July 2012
- http://web.archive.org/web/20121115045330/http://global.kyocera.com/prdct/fc/ product/pdf/material.pdf>.http://web.archive.org/web/20121115045330/http://global.kyocera.com/prdct/fc/product/pdf/material.pdf>.
KURZFASSUNGSHORT VERSION
Die vorliegende Erfindung wurde in Anbetracht der vorstehenden Probleme getätigt, und eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Gassensorelements mit einer porösen Schutzschicht, die eine exzellentere wasserabweisende Eigenschaft aufweist.The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a gas sensor element having a porous protective layer which has a superior water repellency.
Zur Lösung der vorstehenden Aufgabe beinhaltet ein Gassensorelement in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung einen Erfassungsabschnitt mit einem Stapel aus einem Feststoffelektrolytkörper, der mindestens ein Paar Elektroden auf gegenüberliegenden Seiten desselben aufweist, und einem eine Wärmeerzeugungsquelle beinhaltenden wärmeerzeugenden Körper sowie eine poröse Schutzschicht, die um den Erfassungsabschnitt gebildet ist. Die poröse Schutzschicht weist eine Wärmeleitfähigkeit λ im Bereich von 0,2 bis 5 W/mK auf und ein λCpρ, welches das Produkt aus Wärmeleitfähigkeit λ(W/mK), Dichte ρ(g/m3) und spezifischer Wärme Cp(J/gK) ist, im Bereich von 5,3 × 105 bis 2,1 × 107 WJ/m4K2.In order to achieve the above object, a gas sensor element in accordance with the present invention includes a detection section having a stack of a solid electrolyte body having at least a pair of electrodes on opposite sides thereof and a heat generating body including a heat generating body and a porous protective layer surrounding the detection section is formed. The porous protective layer has a thermal conductivity λ in the range of 0.2 to 5 W / mK and a λCpρ, which is the product of thermal conductivity λ (W / mK), density ρ (g / m 3 ) and specific heat Cp (J / gK) is in the range of 5.3 × 10 5 to 2.1 × 10 7 WJ / m 4 K 2 .
Bei dem Gassensorelement in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung stehen zwei physikalische Werte, nämlich die Wärmeleitfähigkeit und der λCpρ-Wert (λ: Wärmeleitfähigkeit (W/mK), p: Dichte (g/m3) und Cp: spezifische Wärme (J/gK)) der porösen Schutzschicht im Vordergrund, und die numerischen Bereiche derartiger Werte sind so definiert, dass sie eine exzellentere wasserabweisende Eigenschaft der porösen Schutzschicht sicherstellen. In the gas sensor element in accordance with the present invention, two physical values, namely the thermal conductivity and the λCpρ value (λ: thermal conductivity (W / mK), p: density (g / m 3 ) and Cp: specific heat (J / gK) )) of the porous protective layer in the foreground, and the numerical ranges of such values are defined so as to ensure a more excellent water-repellent property of the porous protective layer.
Die Wärmeleitfähigkeit der porösen Schutzschicht bestimmt die Geschwindigkeit der Übertragung von Wärme von der porösen Schutzschicht auf kondensiertes Wasser, und die Geschwindigkeit bestimmt, mit welcher Leichtigkeit ein Dampffilm gebildet wird. Die Tatsache, dass ein Dampffilm leicht gebildet werden kann, bedeutet, dass die poröse Schutzschicht eine exzellente wasserabweisende Eigenschaft aufweist. Neben der Leichtigkeit, mit der ein Dampffilm gebildet wird, ist auch die zur Bildung eines Dampffilms notwendige Wärmemenge ein wichtiger Faktor. Das heißt, die poröse Schutzschicht kann nur dann eine exzellente wasserabweisende Eigenschaft aufweisen, wenn sie einen physikalischen Wert hat, mit dem eine zur Bildung eines Dampffilms notwendige Wärmemenge erzeugt werden kann.The thermal conductivity of the porous protective layer determines the rate of transfer of heat from the porous protective layer to condensed water, and the rate determines the ease with which a vapor film is formed. The fact that a vapor film can be easily formed means that the porous protective layer has an excellent water-repellent property. In addition to the ease with which a vapor film is formed, the amount of heat necessary to form a vapor film is also an important factor. That is, the porous protective layer can have an excellent water-repellent property only if it has a physical value capable of generating an amount of heat necessary for forming a vapor film.
Die Erfinder haben festgestellt, dass sich die wasserabweisende Leistung der porösen Schutzschicht mit hoher Genauigkeit bestimmen lässt, wenn der physikalische Wert, der der Wärmemenge entspricht, durch das Produkt aus Wärmeleitfähigkeit, Dichte und spezifischer Wärme repräsentiert wird.The inventors have found that the water-repellent performance of the porous protective layer can be determined with high accuracy when the physical value corresponding to the heat quantity is represented by the product of thermal conductivity, density and specific heat.
Die wasserabweisende Eigenschaft der porösen Schutzschicht wird durch ein Filmsiedephänomen (d.h. Leidenfrost-Phänomen) erhalten. Das Leidenfrost-Phänomen ist dabei ein Phänomen, wonach die Oberfläche eines Wassertröpfchens, wenn dieses die Oberfläche der porösen Schutzschicht bei einer hohen Temperatur berührt, augenblicklich verdampft und der entstandene Dampf eine abschirmende Schicht zwischen der Oberfläche der porösen Schutzschicht und dem Wassertröpfchen bildet. Aufgrund des Leidenfrost-Phänomens wird selbst dann, wenn ein Wassertröpfchen an der Oberfläche der porösen Schutzschicht anhaftet, das Wassertröpfchen augenblicklich von der Oberfläche der porösen Schutzschicht abgetrennt. Dies bedeutet, dass eine wasserabweisende Eigenschaft vorliegt.The water-repellent property of the porous protective layer is obtained by a film boiling phenomenon (i.e., Leidenfrost phenomenon). The Leidenfrost phenomenon is a phenomenon whereby the surface of a water droplet, when it contacts the surface of the porous protective layer at a high temperature, instantly evaporates and the resulting vapor forms a shielding layer between the surface of the porous protective layer and the water droplet. Due to the Leidenfrost phenomenon, even if a water droplet adheres to the surface of the porous protective layer, the water droplet is immediately separated from the surface of the porous protective layer. This means that there is a water-repellent property.
Die Wärmeleitfähigkeit λ ist im Bereich von 0,2 bis 5 W/mK definiert. Wenn dabei die Wärmeleitfähigkeit λ im Bereich von größer oder gleich 0,2 W/mK liegt, tritt ein Filmsiedephänomen auf und somit liegt eine wasserabweisende Eigenschaft vor. Somit ist der untere Grenzwert der Wärmeleitfähigkeit als 0,2 W/mK definiert. Neben der wasserabweisenden Eigenschaft sind die Ansprecheigenschaften weitere wichtige Eigenschaften des Gassensorelements. Unter dem Aspekt der Ansprecheigenschaften ist der obere Grenzwert der Wärmeleitfähigkeit als 5 W/mK definiert. Es ist bekannt, dass zwischen der Wärmeleitfähigkeit und der Porosität einer porösen Schutzschicht eine Korrelation besteht, und ebenso besteht auch eine Korrelation zwischen den Ansprecheigenschaften eines Gassensorelements und der Porosität einer porösen Schutzschicht.The thermal conductivity λ is defined in the range of 0.2 to 5 W / mK. In this case, when the thermal conductivity λ is in the range of greater than or equal to 0.2 W / mK, a film boiling phenomenon occurs, and thus a water-repellent property is present. Thus, the lower limit of the thermal conductivity is defined as 0.2 W / mK. In addition to the water-repellent property, the response properties are further important properties of the gas sensor element. From the aspect of the response characteristics, the upper limit of the thermal conductivity is defined as 5 W / mK. It is known that there is a correlation between the thermal conductivity and the porosity of a porous protective layer, and there is also a correlation between the response characteristics of a gas sensor element and the porosity of a porous protective layer.
Die Erfinder haben ermittelt, dass eine exzellente wasserabweisende Eigenschaft erhalten wird, wenn die Wärmeleitfähigkeit der porösen Schutzschicht bei einer Temperatur im Bereich von 400 bis 850°C, in dem der Gassensor gesteuert wird, in dem vorgenannten numerischen Bereich liegt.The inventors have found that an excellent water repellency is obtained when the heat conductivity of the porous protective layer is in the aforementioned numerical range at a temperature in the range of 400 to 850 ° C in which the gas sensor is controlled.
Indes ist der λCpρ-Wert im Bereich von 5,3 × 105 bis 2,1 × 107 WJ/m4K2 definiert. Hier tritt bei einer Temperatur von kleiner oder gleich 850°C, der das Gassensorelement ausgesetzt ist, ein Filmsiedephänomen auf und eine wasserabweisende Eigenschaft liegt somit vor, wenn der λCpρ-Wert im Bereich von größer oder gleich 5,3 × 105 WJ/m4K2 liegt. Somit ist der untere Grenzwert des λCpρ-Wertes als 5,3 × 105 WJ/m4K2 definiert. Indes ist der obere Grenzwert des λCpρ-Wertes unter dem Aspekt der Ansprecheigenschaften als 2,1 × 107 WJ/m4K2 definiert.Meanwhile, the λCpρ value is defined in the range of 5.3 × 10 5 to 2.1 × 10 7 WJ / m 4 K 2 . Here, at a temperature of less than or equal to 850 ° C exposed to the gas sensor element, a film boiling phenomenon occurs, and a water repellency is present when the λ Cpρ value is in the range of greater than or equal to 5.3 × 10 5 WJ / m 4 K 2. Thus, the lower limit of the λCpρ value is defined as 5.3 × 10 5 WJ / m 4 K 2 . Meanwhile, the upper limit of the λCpρ value is defined as 2.1 × 10 7 WJ / m 4 K 2 from the aspect of the response characteristics.
Gemäß dem Gassensorelement der vorliegenden Erfindung kann durch Definieren der beiden physikalischen Werte Wärmeleitfähigkeit und λCpρ-Wert (λ: Wärmeleitfähigkeit (W/mK), p: Dichte (g/m3) und Cp: spezifische Wärme (J/gK)) der porösen Schutzschicht in vorbestimmten numerischen Bereichen ein Gassensorelement mit einer exzellenten wasserabweisenden Eigenschaft und exzellenten Ansprecheigenschaften bereitgestellt werden.According to the gas sensor element of the present invention, by defining the two physical values, thermal conductivity and λCpρ value (λ: thermal conductivity (W / mK), p: density (g / m 3 ) and Cp: specific heat (J / gK)) of the porous ones Protective layer can be provided in predetermined numerical ranges, a gas sensor element having an excellent water-repellent property and excellent response characteristics.
Die Erfinder haben ermittelt, dass die Wärmeleitfähigkeit λ im Bereich von 0,2 bis 5 W/mK der Porosität im Bereich von 10 bis 50% der porösen Schutzschicht entspricht. Ferner haben die Erfinder auch ermittelt, dass der λCpρ-Wert im Bereich von 5,3 × 105 bis 2,1 × 107 WJ/m4K2 der Porosität im Bereich von 10 bis 50% der porösen Schutzschicht entspricht. Es sei erwähnt, dass die Porosität der porösen Schutzschicht wünschenswerterweise insbesondere auf den Bereich von etwa 30% oder den Bereich von 20 bis 50% des vorgenannten numerischen Bereichs eingestellt wird.The inventors have determined that the thermal conductivity λ in the range of 0.2 to 5 W / mK corresponds to the porosity in the range of 10 to 50% of the porous protective layer. Further, the inventors also found that the λCpρ value in the range of 5.3 × 10 5 to 2.1 × 10 7 WJ / m 4 K 2 corresponds to the porosity in the range of 10 to 50% of the porous protective layer. It should be noted that the porosity of the porous protective layer is desirably set particularly in the range of about 30% or the range of 20 to 50% of the aforementioned numerical range.
Bei dem Gassensorelements der vorliegenden Erfindung weist die poröse Schutzschicht ferner einen Kapillarradius im Bereich von 0,01 bis 10 µm auf. Further, in the gas sensor element of the present invention, the porous protective layer has a capillary radius in the range of 0.01 to 10 μm.
Infolge der Überprüfung der Beziehung zwischen dem Kapillarradius und der Gasansprechzeit der porösen Schutzschicht wurde ein Ergebnis derart erhalten, dass die Gasansprechzeit mit größerem Kapillarradius kürzer wird, und dass eine Sättigung der Gasansprechzeit bei der kürzesten Zeit erfolgt, wenn der Kapillarradius 0,01 µm beträgt. Basierend auf derartigen experimentellen Ergebnissen wird der untere Grenzwert des Kapillarradius als 0,01 µm definiert.As a result of checking the relationship between the capillary radius and the gas response time of the porous protective layer, a result has been obtained such that the gas response time becomes shorter with larger capillary radius, and saturation of the gas response time occurs at the shortest time when the capillary radius is 0.01 μm. Based on such experimental results, the lower limit of the capillary radius is defined as 0.01 μm.
Indes haben die Erfinder infolge der Überprüfung der Beziehung zwischen dem Kapillarradius der porösen Schutzschicht und der Eindringstrecke von Wassertröpfchen verifiziert, dass die Eindringstrecke mit größerem Kapillarradius länger wird, und dass die Eindringstrecke größer oder gleich 700 µm ist, was derzeit als der Höchstwert der Dicke der porösen Schutzschicht bei einem Kapillarradius von 10 µm angesehen wird. Somit wird der obere Grenzwert des Kapillarradius basierend auf den experimentellen Ergebnissen als 10 µm definiert.Meanwhile, as a result of checking the relationship between the capillary radius of the porous protective layer and the penetration of water droplets, the inventors have verified that the penetration distance with larger capillary radius becomes longer, and that the penetration distance is greater than or equal to 700 μm, which is currently considered to be the maximum value of thickness porous protective layer is considered at a capillary radius of 10 microns. Thus, the upper limit of the capillary radius is defined as 10 μm based on the experimental results.
Vorliegend kann die vorgenannte poröse Schutzschicht irgendeine der folgenden zwei Strukturen aufweisen.In the present case, the aforementioned porous protective layer may have any of the following two structures.
Die erste Struktur ist eine einlagige Struktur, die aus einem aluminiumoxidhaltigen Aggregat und einem siliziumdioxidhaltigen Beschichtungsmaterial gebildet ist. Eine Reihe von aluminiumoxidhaltigen Aggregaten sind durch Siliziumdioxid verbunden, das ein Bindemittel ist, wodurch eine poröse Schutzschicht mit einer einlagigen Struktur gebildet wird.The first structure is a single-layered structure formed of an alumina-containing aggregate and a siliceous coating material. A series of alumina-containing aggregates are bonded by silica, which is a binder, thereby forming a porous protective layer having a single-layered structure.
Indes ist die zweite Struktur eine gestapelte Struktur aus einer unteren Schicht, die mit dem im Gassensorelement befindlichen Erfassungsabschnitt in Berührung steht, und einer oberen Schicht, die mit dem Äußeren des Gassensorelements in Berührung steht. Die Porosität der oberen Schicht ist vergleichsweise niedriger als jene der unteren Schicht. Zumindest die obere Schicht weist eine zweilagige Struktur auf, die aus einem aluminiumoxidhaltigen Aggregat und einem siliziumdioxidhaltigen Beschichtungsmaterial gebildet ist.Meanwhile, the second structure is a stacked structure of a lower layer which is in contact with the detection section located in the gas sensor element, and an upper layer which is in contact with the exterior of the gas sensor element. The porosity of the upper layer is comparatively lower than that of the lower layer. At least the upper layer has a two-layered structure formed of an alumina-containing aggregate and a siliceous coating material.
Wenn die obere Schicht, die mit kondensiertem Wasser in Berührung stehen soll, unter Verwendung eines aluminiumoxidhaltigen Aggregats und eines siliziumdioxidhaltigen Beschichtungsmaterials gebildet wird, so dass die obere Schicht vergleichsweise dichter wird als die untere Schicht, kann die obere Schicht sicher eine wasserabweisende Eigenschaft aufweisen und die untere Schicht kann sicher die Eigenschaft aufweisen, giftige Substanzen abzufangen, da die untere Schicht poröser wird und eine größere spezifische Oberfläche hat als die obere Schicht.When the upper layer to be in contact with condensed water is formed by using an alumina-containing aggregate and a siliceous coating material so that the upper layer becomes comparatively denser than the lower layer, the upper layer may surely have a water-repellent property and The lower layer may certainly have the property of trapping toxic substances, since the lower layer becomes more porous and has a larger specific surface area than the upper layer.
Wie der vorstehenden Beschreibung zu entnehmen ist, kann gemäß dem Gassensorelement der vorliegenden Erfindung durch Definieren der beiden physikalischen Werte: Wärmeleitfähigkeit und λCpρ-Wert (λ: Wärmeleitfähigkeit (W/mK), p: Dichte (g/m3) und Cp: spezifische Wärme (J/gK)) der porösen Schutzschicht in vorbestimmten numerischen Bereichen ein Gassensorelement mit einer exzellenten wasserabweisenden Eigenschaft und exzellenten Ansprecheigenschaften bereitgestellt werden.As understood from the above description, according to the gas sensor element of the present invention, by defining the two physical values: thermal conductivity and λCpρ value (λ: thermal conductivity (W / mK), p: density (g / m 3 ) and Cp: specific Heat (J / gK)) of the porous protective layer in predetermined numerical ranges, a gas sensor element having an excellent water-repellent property and excellent response characteristics can be provided.
Somit bestehen die Wirkungsweise und vorteilhaften Wirkungen von Anspruch 1 darin, dass durch Definieren des Produkts aus Wärmeleitfähigkeit, Dichte und spezifischer Wärme ein abschirmender Film zwischen der Oberfläche des porösen Schutzfilms und einem Wassertröpfchen gebildet werden kann und somit eine exzellentere wasserabweisende Eigenschaft des porösen Schutzfilms bereitgestellt werden kann. Die Wirkungsweise und vorteilhaften Wirkungen von Anspruch 2 bestehen darin, dass durch Definieren des Kapillarradius des porösen Schutzfilms eine Sättigung der Gasansprechzeit erlaubt wird und die Eindringstrecke von Wassertröpfchen maximiert werden kann. Die Wirkungsweise und vorteilhaften Wirkungen von Anspruch 3 bestehen darin, dass durch Definieren der Porosität des porösen Schutzfilms die Ansprecheigenschaften und die Wärmeleitfähigkeit des Gassensorelements optimiert werden können. Die Wirkungsweise und vorteilhaften Wirkungen von Anspruch 4 bestehen darin, dass durch Überziehen eines Aggregats, das eine hohe Feuerbeständigkeit und große Härte aufweist, mit einem Beschichtungsmaterial unter Verwendung eines Sol-Gel-Verfahrens ein poröser Schutzfilm mit einer großen spezifischen Oberfläche gebildet werden kann. Die Wirkungsweise und vorteilhaften Wirkungen von Anspruch 5 bestehen darin, dass die obere Schicht, die mit kondensiertem Wasser in Berührung stehen soll, unter Verwendung eines aluminiumoxidhaltigen Aggregats und eines kieselsolhaltigen Beschichtungsmaterials gebildet wird, so dass die obere Schicht vergleichsweise dichter wird als die untere Schicht, wodurch die obere Schicht sicher eine wasserabweisende Eigenschaft aufweisen kann und die untere Schicht sicher die Eigenschaft aufweisen kann, giftige Substanzen abzufangen, da die untere Schicht poröser wird und eine größere spezifische Oberfläche hat als die obere Schicht.Thus, the operation and advantageous effects of
Figurenlistelist of figures
-
1 ist eine schematische Darstellung, die die Ausführungsform1 eines Gassensorelements der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.1 is a schematic representation of theembodiment 1 of a gas sensor element of the present invention. -
2 ist eine schematische Darstellung, die die Ausführungsform2 eines Gassensorelements der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.2 is a schematic representation of theembodiment 2 of a gas sensor element of the present invention. -
3 ist eine Darstellung, die experimentelle Ergebnisse zeigt, welche die Beziehung zwischen der Umgebungstemperatur eines Gassensors, der imstande ist, eine Wassermenge von 3 µ1 abzuweisen bzw. der eine Wasserabweisungsmenge von 3 µ1 erfüllt, und der Wärmeleitfähigkeit einer porösen Schutzschicht angeben.3 Fig. 14 is a graph showing experimental results indicating the relationship between the ambient temperature of a gas sensor capable of rejecting an amount of water of 3 μ1 and satisfying a water repellency amount of 3 μ1 and the heat conductivity of a porous protective layer. -
4 ist eine Darstellung, die experimentelle Ergebnisse zeigt, welche die Beziehung zwischen der Umgebungstemperatur eines Gassensors, der imstande ist, eine Wassermenge von 3 µ1 abzuweisen, und dem λCpρ-Wert einer porösen Schutzschicht angeben.4 Fig. 12 is a graph showing experimental results indicating the relationship between the ambient temperature of a gas sensor capable of rejecting an amount of water of 3 μ1 and the λCpρ value of a porous protective layer. -
5 ist eine Darstellung, die experimentelle Ergebnisse zeigt, welche die Beziehung zwischen der Porosität, der Wärmeleitfähigkeit und den Ansprecheigenschaften angeben.5 Figure 11 is a graph showing experimental results indicating the relationship between porosity, thermal conductivity and response characteristics. -
6 ist eine Darstellung, die experimentelle Ergebnisse zeigt, welche die Beziehung zwischen der Porosität, dem λCpρ-Wert und den Ansprecheigenschaften angeben.6 Fig. 12 is a graph showing experimental results indicating the relationship between the porosity, the λCpρ value and the response characteristics. -
7 ist eine Darstellung, die experimentelle Ergebnisse zeigt, welche die Beziehung zwischen dem Kapillarradius, der Gasansprechzeit und der Eindringstrecke angeben.7 Figure 11 is a graph showing experimental results indicating the relationship between the capillary radius, the gas response time, and the penetration distance.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORM(EN)DETAILED DESCRIPTION OF THE EMBODIMENT (S)
Nachstehend werden Ausführungsformen eines Gassensorelements der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.Hereinafter, embodiments of a gas sensor element of the present invention will be described with reference to the drawings.
Ausführungsform 1 eines Gassensorelements
Der Erfassungsabschnitt
Die Wärmeerzeugungsquelle
Der Erfassungsabschnitt
Die Feststoffelektrolytschicht
Eine Spannung, bei der zwischen der Sauerstoffkonzentrationsdifferenz und dem Strom eine lineare Korrelation besteht, wird über dem Paar Elektroden
Die poröse, diffusive Widerstandsschicht
Die poröse Schutzschicht
Die poröse Schutzschicht
Bei der porösen Schutzschicht
Sind die Wärmeleitfähigkeit λ und der λCpρ-Wert in den vorgenannten numerischen Bereichen eingestellt, ist es möglich, aufgrund des Leidenfrost-Phänomens insbesondere im Temperaturbereich von 400 bis 850°C, in dem das Gassensorelement
Der Kapillarradius der porösen Schutzschicht
Wenn der Kapillarradius der porösen Schutzschicht
Ausführungsform 2 des Gassensorelements
Bei der porösen Schutzschicht
Falls bei der porösen Schutzschicht
Experimente zum Bestimmen der Beziehung zwischen der Umgebungstemperatur eines Gassensors, der imstande ist, eine Wassermenge von 3 µl abzuweisen, und der Wärmeleitfähigkeit einer porösen Schutzschicht, Experimente zum Bestimmen der Beziehung zwischen der Umgebungstemperatur eines Gassensors, der imstande ist, eine Wassermenge von 3 µl abzuweisen, und dem λCpρ-Wert einer porösen Schutzschicht, und deren ErgebnisseExperiments for determining the relationship between the ambient temperature of a gas sensor capable of rejecting an amount of water of 3 .mu.l and the thermal conductivity of a porous protective layer, experiments for determining the relationship between the ambient temperature of a gas sensor capable of rejecting an amount of water of 3 .mu.l , and the λCpρ value of a porous protective layer, and their results
Die Erfinder haben Experimente zum Bestimmen der Beziehung zwischen der Umgebungstemperatur und der Wärmeleitfähigkeit und dem λCpρ-Wert einer porösen Schutzschicht durchgeführt, welche zwei physikalische Werte sind, die im Temperaturbereich von 400 bis 850°C, in dem ein Gassensor gesteuert wird, als Hinweise auf eine von der porösen Schutzschicht geforderte exzellente wasserabweisende Eigenschaft gegenüber einem Wassertröpfchen mit einer Menge von 3 µl dienen.The inventors have made experiments for determining the relationship between the ambient temperature and the thermal conductivity and the λCpρ value of a porous protective layer, which are two physical values ranging from 400 to 850 ° C in which a gas sensor is controlled an excellent water repellency required by the porous protective layer against a water droplet of 3 μl.
Vorliegend weist die poröse Schutzschicht eine einlagige Struktur auf, die in
Indes kann
Experimente zum Bestimmen der Beziehung zwischen Porosität, Wärmeleitfähigkeit und Ansprecheigenschaften, Experimente zum Bestimmen der Beziehung zwischen Porosität, λCpp-Wert und Ansprecheigenschaften, und deren ErgebnisseExperiments to determine the relationship between porosity, thermal conductivity and response properties, experiments to determine the relationship between porosity, λCpp value and response properties, and their results
Die Erfinder haben Experimente zum Bestimmen der Beziehung zwischen der jeweiligen Porosität, Wärmeleitfähigkeit und den Ansprecheigenschaften und der Beziehung zwischen der jeweiligen Porosität, dem λCpρ-Wert und den Ansprecheigenschaften durch Verändern der Porosität durchgeführt. Es sei angemerkt, dass das Verfahren zur Herstellung einer porösen Schutzschicht und die Verwendung derselben jenen in den vorgenannten Experimenten entsprechen.The inventors have made experiments for determining the relationship between the respective porosity, thermal conductivity and response characteristics and the relationship between the respective porosity, the λCpρ value and the response characteristics by changing the porosity. It should be noted that the method for producing a porous protective layer and the use thereof are the same as those in the aforementioned experiments.
Aus
Die in
Indes kann
Aus
Die in den
Experimente zur Beziehung zwischen dem Verhältnis des Querschnitts eines Wassertröpfchens zur wasserabweisenden Eigenschaft, und Ergebnisse derselbenExperiments on the relationship between the ratio of the cross section of a water droplet to the water repellency, and results thereof
Die Erfinder haben Experimente zum Bestimmen der Beziehung zwischen dem Verhältnis des Querschnitts eines Wassertröpfchens und der wasserabweisenden Eigenschaft durchgeführt. Die Experimente verifizieren das Verhältnis zwischen der Berührungsfläche einer festen Flüssigkeit auf der porösen Schutzschicht, die bei Auftreten eines Filmsiedephänomens, wenn ein Wassertröpfchen mit einer Menge von 3 µl aufgetropft wird, eine von der porösen Schutzschicht geforderte wasserabweisende Eigenschaft aufweist, und dem Querschnitt eines Wassertröpfchens. Die nachstehende Tabelle 1 zeigt die Ergebnisse der Verifizierung.
Tabelle 1
Aus Tabelle 1 ist festzustellen, dass, wenn das Verhältnis des Querschnitts eines Wassertröpfchens fünfmal so groß oder größer wird, die Temperatur der Oberfläche der porösen Schutzschicht sinkt, wenn aufgrund einer erhöhten Berührungsfläche der festen Flüssigkeit ein Dampffilm gebildet wird, so dass die Bildung eines Dampffilms auf Teilen der Schicht erschwert wird und solche Teile somit kein Phänomen der Wasserabweisung aufweisen.It is noted from Table 1 that when the ratio of the cross section of a water droplet becomes five times or more, the temperature of the surface of the porous protective layer decreases when a vapor film is formed due to an increased contact area of the solid liquid, so that the formation of a vapor film is difficult on parts of the layer and thus such parts have no phenomenon of water repellency.
Experimente zur Temperaturveränderung der Oberfläche einer porösen Schutzschicht und der wasserabweisenden Eigenschaft, und Ergebnisse derselbenExperiments to change the temperature of the surface of a porous protective layer and the water-repellent property, and results thereof
Die Erfinder haben Experimente zum Bestimmen der Beziehung zwischen einer Temperaturveränderung der Oberfläche einer porösen Schutzschicht und der wasserabweisenden Eigenschaft durchgeführt. Die Experimente verifizieren den Grad der Temperaturveränderung der Oberfläche einer porösen Schutzschicht, die bei Auftreten eines Filmsiedephänomens, wenn ein Wassertröpfchen mit einer Tropfenmenge von 3 µl aufgetropft wird, eine von der porösen Schutzschicht geforderte wasserabweisende Eigenschaft aufweist. Die nachstehende Tabelle 2 zeigt die Ergebnisse der Verifizierung.
Tabelle 2
Aus Tabelle 2 ist festzustellen, dass die Bildung eines Dampffilms oder die Aufrechterhaltung des Dampffilms erschwert wird, wenn die Temperaturveränderung der Oberfläche der porösen Schutzschicht 150°C übersteigt (wenn der Betrag der Temperaturveränderung 150°C oder mehr beträgt). Somit liegt keine wasserabweisende Eigenschaft vor.It is noted from Table 2 that the formation of a vapor film or the maintenance of the vapor film becomes difficult when the temperature change of the surface of the porous protective layer exceeds 150 ° C (when the amount of temperature change is 150 ° C or more). Thus, there is no water-repellent property.
Experimente zum Bestimmen der Beziehung zwischen Kapillarradius, Gasansprechzeit und Eindringstrecke, und Ergebnisse derselbenExperiments to determine the relationship between capillary radius, gas response time and penetration distance, and results thereof
Die Erfinder haben ferner Experimente zum Bestimmen der Beziehung zwischen Kapillarradius, Gasansprechzeit und Eindringstrecke durchgeführt. Dabei wurde der Kapillarradius basierend auf dem Ergebnis einer Messung definiert, die durch Absondern eines Teils einer porösen Schutzschicht und Messen der Porenverteilung unter Verwendung eines Quecksilberporosimeters durchgeführt wurde.The inventors have also made experiments for determining the relationship between capillary radius, gas response time and penetration distance. Herein, the capillary radius was defined based on the result of a measurement made by segregating a part of a porous protective layer and measuring the pore distribution using a mercury porosimeter.
Als ein Verfahren zum Beurteilen der Gasansprecheigenschaften wurde eine Sensorausgabe verwendet, die durch Umschalten von Gas zwischen A/F13 (fette Seite) und A/F18 (magere Seite) für ein Exemplar eines Gassensorelements mit einer porösen Schutzschicht erhalten wurde, und 63% der Ansprechzeit der erhaltenen Sensorausgabe wurden beurteilt. Dabei wurden N2, C3H8 und O2 als das Grundgas verwendet, und O2 wurde als das Einspritzgas verwendet.As a method of judging the gas response characteristics, a sensor output obtained by switching gas between A / F13 (rich side) and A / F18 (lean side) for an example of a gas sensor element having a porous protective layer was used, and 63% of the response time the obtained sensor output was evaluated. In this case, N 2, C 3 H 8 and O 2 were used as the base gas, and O 2 was used as the injection gas.
Als ein Verfahren zum Beurteilen der Eindringstrecke wurden indes 0,3 µl einer Wasser simulierenden wässrigen Eisenchloridlösung unter Verwendung einer Ausgabevorrichtung auf ein Exemplar abgegeben, und das Exemplar wurde in Harz eingegossen. Dann wurde der Querschnitt der porösen Schutzschicht betrachtet, um die Eindringstrecke zu messen.
Zwar wurden die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ausführlich unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, doch sind die konkreten Ausführungsformen nicht hierauf beschränkt. Die vorliegende Erfindung beinhaltet jegliche Gestaltungsänderungen und dergleichen, die im Geist und Umfang der vorliegenden Erfindung möglich sind.Although the embodiments of the present invention have been described in detail with reference to the drawings, the specific embodiments are not limited thereto. The present invention includes any design changes and the like that are possible within the spirit and scope of the present invention.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Abschirmende SchichtShielding layer
- 22
- Poröse, diffusive WiderstandsschichtPorous, diffusive resistance layer
- 33
- FeststoffelektrolytschichtSolid electrolyte layer
- 44
- Elektrodenpaarelectrode pair
- 4141
- Elektrode auf der MesszielgasseiteElectrode on the target gas side
- 4242
- Elektrode auf der ReferenzgasseiteElectrode on the reference gas side
- 55
- Referenzgasraum-SchutzschichtReference gas space protective layer
- 66
- Wärmeerzeugungsquelle (Heizgerät)Heat source (heater)
- 77
- WärmeerzeugungsquellensubstratHeat generation source substrate
- 88th
- MesszielgasraumMeasurement target gas chamber
- 99
- ReferenzgasraumReference gas chamber
- 1010
- Erfassungsabschnittdetecting section
- 20,20A20,20A
- Poröse SchutzschichtPorous protective layer
- 20Aa20aa
- Obere SchichtUpper layer
- 20Ab20ab
- Untere SchichtLower class
- 100,100A100,100A
- GassensorelementGas sensor element
Claims (4)
Applications Claiming Priority (4)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2014-147482 | 2014-07-18 | ||
JP2014147482 | 2014-07-18 | ||
JP2015091445A JP6475074B2 (en) | 2014-07-18 | 2015-04-28 | Gas sensor element |
JP2015-091445 | 2015-04-28 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE102015111681A1 DE102015111681A1 (en) | 2016-01-21 |
DE102015111681B4 true DE102015111681B4 (en) | 2018-12-27 |
Family
ID=55021951
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE102015111681.2A Active DE102015111681B4 (en) | 2014-07-18 | 2015-07-17 | Gas sensor element |
Country Status (4)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US9958412B2 (en) |
JP (1) | JP6475074B2 (en) |
CN (1) | CN105277605B (en) |
DE (1) | DE102015111681B4 (en) |
Families Citing this family (15)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP6493281B2 (en) | 2016-04-11 | 2019-04-03 | トヨタ自動車株式会社 | Exhaust sensor control device |
JP6857051B2 (en) * | 2016-04-20 | 2021-04-14 | 日本特殊陶業株式会社 | Gas sensor element and gas sensor |
JP6406311B2 (en) * | 2016-05-09 | 2018-10-17 | トヨタ自動車株式会社 | Exhaust sensor control device |
JP6485411B2 (en) * | 2016-06-14 | 2019-03-20 | トヨタ自動車株式会社 | Exhaust sensor control device |
JP6451697B2 (en) * | 2016-06-14 | 2019-01-16 | トヨタ自動車株式会社 | Exhaust sensor control device |
JP6761369B2 (en) * | 2017-03-30 | 2020-09-23 | 日本碍子株式会社 | Gas sensor element |
JP6761371B2 (en) * | 2017-03-30 | 2020-09-23 | 日本碍子株式会社 | Gas sensor element |
DE102017218469A1 (en) * | 2017-06-28 | 2019-01-03 | Robert Bosch Gmbh | Sensor element for detecting at least one property of a sample gas in a sample gas space and method for producing the same |
JP6708184B2 (en) * | 2017-08-22 | 2020-06-10 | 株式会社デンソー | Gas sensor element and gas sensor |
JP6909706B2 (en) * | 2017-10-31 | 2021-07-28 | 株式会社デンソー | Gas sensor |
JP6919996B2 (en) * | 2018-02-06 | 2021-08-18 | トヨタ自動車株式会社 | Gas sensor element |
JP7183910B2 (en) * | 2019-03-28 | 2022-12-06 | 株式会社デンソー | gas sensor |
DE112020001678T5 (en) * | 2019-03-29 | 2021-12-16 | Ngk Insulators, Ltd. | Gas sensor element and gas sensor |
JP7070514B2 (en) | 2019-06-27 | 2022-05-18 | 株式会社デンソー | Gas sensor and its manufacturing method |
JP7543188B2 (en) * | 2021-03-18 | 2024-09-02 | 日本碍子株式会社 | Sensor element |
Citations (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE10308558A1 (en) | 2002-02-28 | 2004-04-01 | NGK Spark Plug Co., Ltd., Nagoya | Prismatic ceramic heater for heating a gas sensor element, prismatic gas sensor element in multilayer structure comprising the prismatic ceramic heater, and method for manufacturing the prismatic ceramic heater and the prismatic gas sensor element |
JP2009080110A (en) | 2007-09-07 | 2009-04-16 | Denso Corp | Gas sensor element and its manufacturing method |
US20100155240A1 (en) | 2008-12-22 | 2010-06-24 | Nippon Soken, Inc. | Gas sensor element and gas sensor equipped with the same |
JP2011237222A (en) | 2010-05-07 | 2011-11-24 | Toyota Motor Corp | Gas sensor element and gas sensor |
JP2011252894A (en) | 2010-06-04 | 2011-12-15 | Denso Corp | Gas sensor element and method for manufacturing the same |
JP2012093330A (en) | 2010-09-27 | 2012-05-17 | Denso Corp | Gas sensor element, and gas sensor |
JP2014147482A (en) | 2013-01-31 | 2014-08-21 | Gikou:Kk | Artificial tooth, artificial denture management apparatus, and artificial denture management program |
US20140291150A1 (en) | 2011-11-11 | 2014-10-02 | Ngk Spark Plug Co. Ltd. | Gas sensor element, and gas sensor |
JP2015091445A (en) | 2015-02-10 | 2015-05-14 | 株式会社三洋物産 | Game machine |
Family Cites Families (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP3402106B2 (en) * | 1996-01-31 | 2003-04-28 | 株式会社デンソー | Oxygen concentration detecting element and method of manufacturing the same |
JP3736020B2 (en) * | 1997-04-16 | 2006-01-18 | 松下電器産業株式会社 | Gas sensor |
JP2003050223A (en) * | 2001-08-07 | 2003-02-21 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Gas sensor |
JP4624946B2 (en) * | 2006-03-17 | 2011-02-02 | 日本特殊陶業株式会社 | Gas sensor element manufacturing method, gas sensor manufacturing method, gas sensor element, and gas sensor |
JP5024243B2 (en) | 2007-09-07 | 2012-09-12 | 株式会社デンソー | Gas concentration detecting element and manufacturing method thereof |
JP5005745B2 (en) * | 2009-09-04 | 2012-08-22 | 日本特殊陶業株式会社 | LAMINATED GAS SENSOR ELEMENT, GAS SENSOR HAVING LAMINATED GAS SENSOR ELEMENT, AND METHOD FOR PRODUCING LAMINATED GAS SENSOR ELEMENT |
JP5287807B2 (en) * | 2009-10-28 | 2013-09-11 | 株式会社デンソー | Gas sensor element |
JP5182321B2 (en) * | 2010-05-13 | 2013-04-17 | 株式会社デンソー | Gas sensor element and gas sensor incorporating the same |
JP5500148B2 (en) * | 2011-09-27 | 2014-05-21 | 株式会社デンソー | Gas sensor element, method of manufacturing the same, and gas sensor |
-
2015
- 2015-04-28 JP JP2015091445A patent/JP6475074B2/en active Active
- 2015-07-07 US US14/793,211 patent/US9958412B2/en active Active
- 2015-07-17 CN CN201510424695.0A patent/CN105277605B/en active Active
- 2015-07-17 DE DE102015111681.2A patent/DE102015111681B4/en active Active
Patent Citations (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE10308558A1 (en) | 2002-02-28 | 2004-04-01 | NGK Spark Plug Co., Ltd., Nagoya | Prismatic ceramic heater for heating a gas sensor element, prismatic gas sensor element in multilayer structure comprising the prismatic ceramic heater, and method for manufacturing the prismatic ceramic heater and the prismatic gas sensor element |
JP2009080110A (en) | 2007-09-07 | 2009-04-16 | Denso Corp | Gas sensor element and its manufacturing method |
US20100155240A1 (en) | 2008-12-22 | 2010-06-24 | Nippon Soken, Inc. | Gas sensor element and gas sensor equipped with the same |
JP2011237222A (en) | 2010-05-07 | 2011-11-24 | Toyota Motor Corp | Gas sensor element and gas sensor |
JP2011252894A (en) | 2010-06-04 | 2011-12-15 | Denso Corp | Gas sensor element and method for manufacturing the same |
JP2012093330A (en) | 2010-09-27 | 2012-05-17 | Denso Corp | Gas sensor element, and gas sensor |
US20140291150A1 (en) | 2011-11-11 | 2014-10-02 | Ngk Spark Plug Co. Ltd. | Gas sensor element, and gas sensor |
JP2014147482A (en) | 2013-01-31 | 2014-08-21 | Gikou:Kk | Artificial tooth, artificial denture management apparatus, and artificial denture management program |
JP2015091445A (en) | 2015-02-10 | 2015-05-14 | 株式会社三洋物産 | Game machine |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
"Characteristics of Kyocera Technical Ceramics". Datasheet [online]. Kyocera Corporation, July 2012 [recherchiert am 01.02.2018]. Im Internet: <URL: http://web.archive.org/web/20121115045330/http://global.kyocera.com/prdct/fc/product/pdf/material.pdf>. * |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2016029360A (en) | 2016-03-03 |
US20160018357A1 (en) | 2016-01-21 |
US9958412B2 (en) | 2018-05-01 |
CN105277605B (en) | 2018-10-09 |
CN105277605A (en) | 2016-01-27 |
JP6475074B2 (en) | 2019-02-27 |
DE102015111681A1 (en) | 2016-01-21 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
DE102015111681B4 (en) | Gas sensor element | |
EP2972278B1 (en) | Method for producing a solid electrolyte sensor element for detecting at least one property of a measuring gas in a measuring gas chamber with a plasma torch | |
EP0604468B1 (en) | Exhaust gas sensor | |
DE2657437C3 (en) | Oxygen sensor | |
DE102007001110A1 (en) | Gas sensor element | |
DE102012210725B4 (en) | Sensor element for detecting at least one property of a measuring gas in a measuring gas chamber and method for producing a sensor element | |
DE102010043023A1 (en) | Gas sensor | |
DE102015122668A1 (en) | Sensor for detecting electrically conductive and / or polarisable particles, sensor system, method for operating a sensor, method for producing such a sensor and use of such a sensor | |
DE102009055302A1 (en) | Gas sensor element and this containing gas sensor | |
WO2010091761A1 (en) | Sensor element of a gas sensor and method for operating the same | |
DE112010002180T5 (en) | Air-fuel ratio sensor | |
DE112016001244B4 (en) | Gas sensor element | |
DE112018004731T5 (en) | Gas sensor element and gas sensor | |
DE112015003077B4 (en) | gas sensor | |
DE112019006637T5 (en) | Gas sensor | |
WO2006027287A1 (en) | Sensor element for particle sensors and method for the production thereof | |
DE102015100421A1 (en) | NOx sensor | |
DE112020005449T5 (en) | SENSOR ELEMENT | |
DE102014206247A1 (en) | Sensor for detecting at least one property of a sample gas in a sample gas space and method for manufacturing | |
DE102014208832A1 (en) | Method for producing a sensor element for detecting at least one property of a measuring gas in a measuring gas space | |
DE112016005767T5 (en) | Gas sensor element and gas sensor | |
DE10122940A1 (en) | gas sensor | |
DE112016003882T5 (en) | A / F sensor and method for its manufacture | |
DE112018006662T5 (en) | SENSOR ELEMENT AND GAS SENSOR | |
DE112019003810T5 (en) | CERAMIC STRUCTURE AND SENSOR ELEMENT FOR A GAS SENSOR |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R012 | Request for examination validly filed | ||
R082 | Change of representative |
Representative=s name: KUHNEN & WACKER PATENT- UND RECHTSANWALTSBUERO, DE |
|
R083 | Amendment of/additions to inventor(s) | ||
R079 | Amendment of ipc main class |
Free format text: PREVIOUS MAIN CLASS: G01N0027410000 Ipc: G01N0027406000 |
|
R016 | Response to examination communication | ||
R016 | Response to examination communication | ||
R018 | Grant decision by examination section/examining division | ||
R020 | Patent grant now final |